LED送光镜组及阵列.pdf

本发明公开了一种LED送光镜组及阵列。其中LED送光镜组，包括反光碗、LED发光体以及聚光透镜，反光碗具有进行全反射的内反射面，聚光透镜为玻璃透镜。玻璃透镜具有一个入光曲面和一个出光曲面，均为凸球面，且入光曲面的曲率小于出光曲面的曲率。本发明提供了一种LED送光镜组阵列，包括M×N个LED发光体、一个反光碗板以及一个聚光透镜板，反光碗板具有M×N个彼此连接的反光碗，聚光透镜板具有M×N个彼此连接的玻璃透镜，分别与每一反光碗相对应。本发明提供LED送光镜组和阵列通过采用结构简单的玻璃透镜，简化

1、  一种LED送光镜组，其包括反光碗、安装在反光碗底部的LED发光体以及聚光透镜，所述反光碗具有进行全反射的内反射面，其特征在于：所述聚光透镜为玻璃透镜。

2、  如权利要求1所述的LED送光镜组，其特征在于，所述玻璃透镜具有一个入光曲面和一个出光曲面，所述入光曲面和出光曲面均为凸球面，且入光曲面的曲率半径大于出光曲面的曲率半径。

3、  如权利要求2所述的LED送光镜组，其特征在于，入光曲面的曲率半径为137.7mm，出光曲面的曲率半径为7.5mm。

4、  如权利要求2所述的LED送光镜组，其特征在于，所述玻璃透镜的轴向厚度为3.0mm，横向厚度为10mm。

5、  如权利要求1所述的LED送光镜组，其特征在于，所述反光碗和玻璃透镜间隔一段距离设置，通过固定元件将两者连接固定。

6、  如权利要求5所述的LED送光镜组，其特征在于，所述反光碗和玻璃透镜间隔距离为2.5mm，通过固定元件连接反光碗和玻璃透镜后，LED送光镜组的轴向长度为14.7mm。

7、  如权利要求1所述的LED送光镜组，其特征在于，所述反光碗由具有全反射性能的金属或内反射面镀金属膜的其他材料制成。

8、  如权利要求1所述的LED送光镜组，其特征在于，所述反光碗的内反射面为偶次非球面。

9、  如权利要求1所述的LED送光镜组，其特征在于，所述玻璃透镜由可透红外光或者可透可见光的玻璃制成。

10、  如权利要求1所述的LED送光镜组，其特征在于，所述LED送光镜组的出光角度为14-16度。

11、  一种LED送光镜组阵列，其特征在于，包括M×N个以LED送光镜组为单元的阵列组合，每一LED送光镜组包括LED发光体、反光碗以及聚焦玻璃透镜。

12、  如权利要求11所述的LED送光镜组阵列，其特征在于，所述反光碗具有全反射的内反射面，为偶次非球面。

13、  如权利要求11所述的LED送光镜组阵列，其特征在于，所述玻璃透镜具有一个入光曲面和一个出光曲面，所述入光曲面和出光曲面均为凸球面，且入光曲面的曲率半径大于出光曲面的曲率半径。

14、  如权利要求11所述的LED送光镜组阵列，其特征在于，所述反光碗和聚光透镜间隔一段距离设置，且通过固定板连接。

15、  如权利要求11所述的LED送光镜组阵列，其特征在于，所述反光碗由具有全反射性能的金属或内反射面镀金属膜的其他材料制成。

16、  如权利要求11所述的LED送光镜组阵列，其特征在于，所述每一玻璃透镜为可透红外光或者可透可见光玻璃制成。

17、  一种LED送光镜组阵列，其包括M×N个LED发光体、一个反光碗板以及一个聚光透镜板，所述反光碗板具有M×N个彼此连接且分别与每一LED发光体对应的反光碗，其特征在于，所述聚光透镜板具有M×N个彼此连接的聚焦玻璃透镜，且分别与每一反光碗相对应。

18、  如权利要求17所述的LED送光镜组阵列，其特征在于，每一玻璃透镜具有一个入光曲面和一个出光曲面，且所述入光曲面和出光曲面均为凸球面，且入光曲面的曲率半径大于出光曲面的曲率半径。

19、  如权利要求17所述的LED送光镜组阵列，其特征在于，所述反光碗板和聚光透镜板间隔一段距离设置，且通过固定板连接。

20、  如权利要求17所述的LED送光镜组阵列，其特征在于，所有玻璃透镜均为可透红外光或者可透可见光玻璃制成。

21、  如权利要求17所述的LED送光镜组阵列，其特征在于，所述反光碗由具有全反射性能的金属或内反射面镀金属膜的其他材料制成。

LED送光镜组及阵列
技术领域
本发明涉及一种光学镜头，尤其涉及一种用于小角度中、远距离送光的发光二极管(Light Emitting Diode，LED)送光镜组及阵列。
背景技术
LED光源以其高效、节能、环保、长寿命、小尺寸的优点已广泛用于背景光源、显示器件、复印机、激光印刷机等成像照明领域，上述应用通常局限在近距离面阵照明，单粒组合显示用途，这是由于LED散射发光特性决定，其初始发散角可接近180°，这对于近距离大面积照明是有利的，但照明距离有限。因此，LED厂家通常在封装时进行了简单的配光，收缩发散角，例如采用柱状透镜封装，可以一定量收缩发散角。市场上可见到60°、30°、15°半功率发散角，但其光利用率低，聚光透镜直接与发光芯片封装接触，工作温度高，极易老化，产生裂纹，使透镜的透光性能大大下降。大量的光在封装体内漫反射，产生更多的热能导致封装透镜进一步老化失效。有一些大功率光源用上述LED列阵组合照明，但体积大，发散角偏大，不便于大功率远距离送光。
近年来平安城市工程等安防监控系统已趋向日夜全天候监控，对夜间室外监控，普遍要求采用红外照明，以减少光污染。LED红外光源制作技术和工艺已成熟，近红外LED以低耗能、长寿命特点使其成为较好的红外光源。近距离的照明系统下无论是可见光的还是红外光已普遍采用LED作光源。远距离红外照明系统，目前普遍采用的是经过简单聚光封装的单颗红外LED捆绑列阵，以大面积捆绑组成大功率LED阵列向远距离送光。但由于其体积大和前述原因寿命短、照明系统维护费用高，制约着其进一步的发展和应用。
中国专利第200710009967号，公开日为2008年08月13日，描述了一种LED小角度远距离送光镜组及阵列。所述送光镜组设置有反光碗和聚光透镜，LED芯片发出的大角度散射光经过反光碗和聚光透镜的二次配光后，高效收集能量，最大限度收缩发光角，实现了远距离小角度的LED光传送。然而，所述聚光透镜结构非常复杂，具有多个曲面，增加了制造难度及成本。另外，现有收光镜头多采用塑料制成，这种材料的收光镜头在较高温度下很容易产生光衰的缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明解决的技术问题是提供一种结构简单的LED送光镜组及阵列。
本发明解决的另一技术问题是提供一种耐温、减少光衰缺陷的LED送光镜组及阵列。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种LED送光镜组。该LED送光镜组包括反光碗、安装在反光碗底部的LED发光体以及聚光透镜，所述反光碗具有进行全反射的内反射面，其中，所述聚光透镜为玻璃透镜。
进一步地，所述玻璃透镜具有一个入光曲面和一个出光曲面，所述入光曲面和出光曲面均为凸球面，且入光曲面的曲率半径大于出光曲面的曲率半径。
进一步地，入光曲面的曲率半径为137.7mm，出光曲面的曲率半径为7.5mm。
进一步地，所述玻璃透镜的轴向厚度为3.0mm，横向厚度为10mm。
进一步地，所述反光碗和玻璃透镜间隔一段距离设置，通过固定元件将两者连接固定。
进一步地，所述反光碗和玻璃透镜间隔距离为2.5mm，通过固定元件连接反光碗和玻璃透镜后，LED送光镜组的轴向长度为14.7mm。
进一步地，所述反光碗由具有全反射性能的金属或内反射面镀金属膜的其他材料制成。
进一步地，所述反光碗的内反射面为偶次非球面。
进一步地，所述玻璃透镜由可透红外光或者可透可见光的玻璃制成。
进一步地，所述LED送光镜组的出光角度为14-16度。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种LED送光镜组阵列，其包括M×N个以LED送光镜组为单元的阵列组合，每一LED送光镜组包括LED发光体、反光碗以及聚焦玻璃透镜。
进一步地，所述反光碗具有全反射的内反射面，为偶次非球面。
进一步地，所述玻璃透镜具有一个入光曲面和一个出光曲面，所述入光曲面和出光曲面均为凸球面，且入光曲面的曲率半径大于出光曲面的曲率半径。
进一步地，所述反光碗和聚光透镜间隔一段距离设置，且通过固定板连接。
进一步地，所述反光碗由具有全反射性能的金属或内反射面镀金属膜的其他材料制成。
进一步地，所述每一玻璃透镜为可透红外光或者可透可见光玻璃制成。
为了解决上述技术问题，本发明提供了另外一种LED送光镜组阵列，其包括M×N个LED发光体、一个反光碗板以及一个聚光透镜板，所述反光碗板具有M×N个彼此连接的且分别与每一LED发光体对应的反光碗，其中所述聚光透镜板具有M×N个彼此连接的聚焦玻璃透镜，且分别与每一反光碗相对应。
进一步地，每一玻璃透镜具有一个入光曲面和一个出光曲面，且所述入光曲面和出光曲面均为凸球面，且入光曲面的曲率半径大于出光曲面的曲率半径。
进一步地，所述反光碗板和聚光透镜板间隔一段距离设置，且通过固定板连接。
进一步地，所有玻璃透镜均为可透红外光或者可透可见光玻璃制成。
进一步地，所述反光碗由具有全反射性能的金属或内反射面镀金属膜的其他材料制成。
相较于现有技术，本发明提供LED送光镜组和阵列通过采用结构简单的玻璃透镜，简化了LED送光镜组的整体结构。另外，采用玻璃透镜，减少了因为高温引起的光衰缺陷。如果将玻璃透镜采用可透红外光玻璃制成，还可以将本发明的LED送光镜组和阵列应用到LED红外光照明领域。玻璃透镜还可以起到抗紫外线、防老化，抗酸碱盐、防腐蚀的作用，提高了LED送光镜组和阵列的性能，延长了LED送光镜组和阵列的使用寿命。
附图说明
通过以下对本发明的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解其发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：
图1为本发明LED送光镜组第一实施例的剖面示意图。
图2为使用图1的LED送光镜组时光线的光路分析图。
图3为LED发光体通过图1所示LED送光镜组照明的光学原理的示意图。
具体实施方式
下面参照附图具体介绍本发明的各种实施例，图中相同的结构或功能用相同的数字标出。应该指出的是，附图的目的只是便于对本发明具体实施例的说明，不是一种多余的叙述或是对本发明范围的限制，此外，附图没有必要按比例画出。
图1为本发明LED送光镜组第一实施例的剖面图。该LED送光镜组1包括反光碗10、聚光透镜以及连接反光碗10和聚光透镜的固定元件。在本实施例中，该固定元件包括安装在反光碗10上的第一固定部13以及安装在聚光透镜上的第二固定部14，两者通过螺纹连接在一起。可以理解的是，该固定元件并不唯一限定上述方式，该固定元件也可以是单一的固定元件，还可以是反光碗10、聚光透镜上的一部分，不是单独设置的部件。一个LED送光镜组1设置一个LED发光体15或称发光芯片，LED发光体15安装在与外界电路连接的基板(未图示)上。在本发明以下优选的实施方式中，以LED发光体的直径D1＝1mm为例进行描述。
请继续参阅图1，反光碗10为上、下开口的碗状结构(在图1中左边的开口称为上开口，右边的开口称为上开口)，其内反射面为偶次非球面曲面，由非球面曲线的一段绕其对称轴(对称轴为图1中点划线所示)回转形成。特反光碗10的上开口处为出光口。反光碗10下开口位置处的平面为底平面的，其为圆形，且圆心与内反射面的非球面曲线的焦点重合。LED发光体安装在焦点位置，如图1中所示，这样LED发光体发出的大角度光到达反光碗10的内反射面后以与光轴成小角度出射。
反光碗10的内反射面为全反射面，其可通过反光碗10本身采用全反射材料制成来实现，也可以通过在反光碗10的内反射面镀全反射膜来实现。换句话说，反光碗10可以采用金属材料制成，如图1中所示；也可以采用玻璃或其他可以应用的材料制成，但是在内反射面镀金属膜，通过金属膜实现全反射。
需要说明的是，本文中(包括说明和权利要求书)提到的“全反射”仅为描述方便，并不限于其字面意思。换句话说，该“全反射”不仅表示实际上将LED光全部反射出去的情况，也包括希望全部反射但由于制造材质或者工艺缺陷等现况只将大部分(如：80％-90％)LED光反射出去的情况。不能因为制造材质或者工艺缺陷使的反光碗10的内反射面的反射效率仅达到70％、85％等，就主张不是本发明的保护范围。
聚光透镜采用透光率高、耐温的玻璃透镜11，一般采用LED光谱特性好的玻璃材料制成，可以获得较佳的送光效果。采用玻璃透镜11可有效减少因高温带来的光衰缺陷。在本发明优选的实施方式中，该玻璃透镜11轴向厚度为L3＝3.0mm，横向厚度为D2＝10mm，且安装在距离反光碗10的出光口(上开口)L2＝2.5mm的位置处。组装后的LED送光镜组1的总体轴向长度为L1＝14.7mm。该玻璃透镜11由入光曲面110、出光曲面111以及两相对的平面组成，其中入光曲面110和出光曲面111均为凸球面，入光曲面110曲率远远小于出光曲面111的曲率，两者的曲率半径分别为R1＝137.7mm和R2＝7.5mm。当然地，该玻璃透镜11的入光曲面110、出光曲面111也可以采用非球面，但因为采用凸球面具有制造简单的有益效果，本实施例均以上述凸球面为例进行描述。本发明优选的实施方式中，设计的出光角度为14-16度，采用上述LED送光镜组1后，LED发光体15的出射光均能以小于等于上述出光角度的小角度出射。在本发明另一较好的实施方式中，出光角度设计为14-30度。可以认为，这样的出光角度在对硬件的要求与实际取得的效果之间取得了较好的平衡。LED送光镜组1的出光角度与反光碗10和玻璃透镜11的各种尺寸以及两者之间的空间距离来决定的，上述尺寸仅为一种实施例而已，并不是唯一的。
光路分析如图2所示，LED发光体15发出的中心区的小角度的光线(如光线17)直接进入玻璃透镜11的入光曲面110，经过较小偏折后到达出光曲面111，经过再次偏折后以接近于0度的小角度光出射。通过实验，采用上述的具体尺寸数据，可以达到理想的送光效果。诚然，也可以根据实际需要改变本发明LED送光模组的外形尺寸。一般来讲，在当前的安防领域内，本发明LED送光模组的各尺寸数据在上述实施方式中所描述的尺寸数据的正负10％-20％范围内的改变，比较合理。如在本发明另一实施方式中，LED送光镜组的轴向长度可达16mm。此时，相应的改变其它具体尺寸数据，以达到较好的送光效果。特别的，各尺寸(如透镜曲率、透镜与反光碗的间隔距离等)之间遵循一定的理论公式并通过实验论证而得，此处不再赘述。
LED发光体15发出的较大角度的光线(如图2中光线16)，首先进入反光碗10的内反射面，反射后以小角度进行玻璃透镜11的入光曲面110，被稍微偏折后进入出光曲面111，被向内偏折后以小于等于设计出光角度14-16度的小角度出射。
图3为LED发光体通过图1所示LED送光镜组照明的光学原理图。从图中可以看出，LED发光体所有光线都是以小于等于14-16度的小角度出射的，有效收缩光线的发光角，避免光能量的浪费，从而将LED光传输的更远。诚然，该示意图只是为了便于说明与理解，并不精确的代表实际的照明光路。
从上述描述可知，本发明采用玻璃透镜作为聚光透镜，玻璃透镜上的收光曲面设计简单，便于制造，精度也容易控制。本发明LED送光镜组的玻璃透镜通过简单的曲面就实现了LED发光体所有光线小角度的出射，实现了中、远距离送光照明。
另外，该玻璃透镜11采用可透过红外光的玻璃制成，这样使得本发明LED照明系统得到广泛的应用。进一步的，该玻璃透镜也可采用可透可见光的玻璃制成，这样本发明提供LED送光镜组可以进一步扩展应用到可见光领域。与塑料透镜相比，玻璃透镜更加具有防紫外线、防老化；防酸碱盐、防腐蚀的作用，从而提高了LED送光镜组和阵列(如下详述)的性能与延长LED送光镜组和阵列的使用寿命。
本发明的第二种实施例提供了一种LED送光镜组阵列。该LED送光镜组阵列以上述LED送光镜组为单元的M×N阵列组合而成，所有LED送光镜组的所有LED发光体安装在同一基板上。该LED送光镜组阵列根据照明光源的实际需要可以设计成2×2、4×3、5×4、6×6、8×2等多种阵列组合。
本发明的第三种实施例提供了另外一种LED送光镜组阵列。该LED送光镜组阵列安装在同一基板上。该LED送光镜组阵列包括M×N个LED发光体、一个反光碗板、一个聚光透镜板以及固定连接反光碗板和聚光透镜板的固定板。该反光碗板包括M×N个反光碗以及M×N个反光碗彼此连接为一体的第一连接体。该聚光透镜板包括M×N个玻璃透镜以及将M×N个玻璃透镜连接为一体的第二连接体。该M×N个LED发光体分别安装在对应的M×N个反光碗内。每一M×N个反光碗的内反射面与第一实施例中描述的反光碗10相同。每一M×N个玻璃透镜与每一M×N个反光碗对应安装，且与第一实施和例中描述的玻璃透镜11的结构和材料都相同。每一LED发光体发出的光线进入对应的反光碗和与该反光碗对应的玻璃透镜内反射、偏折，最终以小角度出射，实现大功率、小角度、中远距离送光照明。
可选择地，聚光透镜板上的玻璃透镜采用可透红外光玻璃或者可透可见光玻璃制成。当选用可透可见光玻璃制成时，本发明LED送光模组可扩展应用到可见光领域，并不局限于红外光。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，利用上述揭示的方法内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，均属于权利要求书保护的范围。